基于介电电泳原理的生物芯片的构建及其在细胞分析中的应用研究

论文摘要

生物芯片技术由于具有分析快速、样品用量少、灵敏度高、易于集成和自动化等优点,自问世以来,就得到了人们的普遍关注。介电电泳芯片（Dielectrophoresis Chip, DEP Chip）技术作为一种重要的生物芯片技术,它利用在非均匀电场中,生物颗粒可以被电场极化,且不同结构和材料组成的生物颗粒具有不同响应的原理,达到对它们进行操控、输运、分离等目的。介电电泳芯片按电极结构的不同可分为三大类型:常规介电电泳芯片（cDEP Chip）、行波介电电泳芯片（twDEP Chip）、电旋转芯片（ROT Chip）。介电电泳芯片技术因为其具有非侵入性、高灵敏度、快速等优点,在发明后的短短几十年的发展时间里,迅速发展成为一种十分有效的细胞和其它生物颗粒的检测、操控、分离手段,在生命科学、分析化学等诸多领域得到了广泛的应用。本论文的研究工作主要包括细胞检测电旋转芯片的构建、优化设计及应用研究,细胞分离行波介电电泳芯片的构建及应用研究,细胞自动分离系统的构建等三方面的内容。在深入研究了介电电泳技术的基本理论和设计原理的基础上,设计并制备了两种形状结构的电旋转芯片,搭建了电旋转芯片实验平台,并构建了电旋转阵列芯片以提高通量和实验效率。在理论研究上,本文采用有限元方法,对电旋转芯片的工作模式和实验方法进行了优化设计,首次将细胞介电力定位技术与细胞电旋转技术结合在一起,用于细胞操控和检测;从理论上分析了微电极分别工作于“DEP模式”和“ROT模式”时产生的电场以及介电力（力矩）的分布情况,并采用细胞实验,对负向介电力辅助定位的细胞电旋转技术进行了实验验证。利用所构建的电旋转芯片,进行了细胞检测电旋转芯片的生物学应用研究。首次采用电旋转芯片检测了生化组分不同的自养和异氧海藻细胞的电动力学响应,并将电旋转芯片技术应用到细胞凋亡的检测和研究上。实验结果表明,该方法能检测出10 nM蟾蜍灵药物处理HL-60细胞6 h后的变化情况,比传统的细胞凋亡检测方法灵敏度更高。在检测细胞介电性质差异的基础上,本文设计并制备一种基于行波介电电泳技术和层流技术的细胞分离芯片。在深入分析行波电场及层流流场的基础上,采用在玻璃基片上加工直线型Au/Cr行波微电极和分枝式PDMS微流体管道,并通过氧等离子键合的方法制备了细胞分离芯片。应用该芯片,成功实现了对Jurkat细胞和人血红细胞混合物的分离,在1 min内,两种细胞彼此分开了300μm。为了契合微型全分析系统要求自动化、集成化的特点,本文进一步采用透明的ITO导电玻璃电极替代传统的Au/Cr电极制备行波介电电泳芯片,这就大大降低了实验时芯片所产生的背景噪声。同时,设计了用于细胞运动识别的相应软件,实现了在细胞分离过程中,对细胞的实时自动监控。实验结果显示,该系统对细胞的识别率达到90%以上;对细胞运动速度的计算误差小于5%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 生物芯片简介
• 1.2 微观尺度的生物微粒操控
• 1.3 介电电泳技术介绍
• 1.4 电场和细胞
• 1.5 介电电泳芯片的分类
• 1.6 介电电泳芯片的设计
• 1.7 介电电泳芯片的加工
• 1.8 本文的主要研究内容及其意义
• 2 细胞检测电旋转芯片的构建
• 2.1 电旋转芯片的基本原理
• 2.2 电旋转芯片的芯片模型
• 2.3 电旋转芯片的设计与加工
• 2.4 电旋转芯片的电学性能测试
• 2.5 电旋转芯片实验平台的构建
• 2.6 电旋转芯片的功能验证
• 2.7 小结
• 3 细胞检测电旋转芯片的优化设计
• 3.1 电旋转芯片模型的优化
• 3.2 电旋转芯片的电场模拟
• 3.3 细胞介电球壳模型
• 3.4 电旋转阵列芯片的构建
• 3.5 微流体进样管道的设计与加工
• 3.6 微流体进样管道的表面改性
• 3.7 微流体进样管道的改进
• 3.8 电旋转阵列芯片实验条件优化
• 3.9 小结
• 4 细胞检测电旋转芯片的生物学应用研究
• 4.1 海藻细胞的电动力学响应研究
• 4.2 细胞凋亡概述
• 4.3 电旋转芯片检测细胞凋亡
• 4.4 小结
• 5 细胞分离行波介电电泳细胞分离芯片的构建及应用
• 5.1 现有细胞分离技术
• 5.2 行波介电电泳芯片的设计与加工
• 5.3 行波介电电泳微流体管道的设计与加工
• 5.4 行波介电电泳微流体管道的测试
• 5.5 行波介电电泳芯片细胞分离实验条件的优化
• 5.6 行波介电电泳芯片细胞分离实验
• 5.7 小结
• 6 细胞自动分离行波介电电泳芯片的优化设计及实验验证
• 6.1 自动细胞分离系统的硬件设计与加工
• 6.2 细胞自动分离ITO 行波介电电泳芯片的构建
• 6.3 细胞自动分离系统的软件设计
• 6.4 自动化细胞分离系统的实验验证
• 6.5 当前存在的问题
• 6.6 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录2 主要试剂及耗材产地
• 附录3 主要仪器设备型号及产地